硼酸盐材料中负压缩性的探索和研究

Negative Compressibilities are novel physical properties which offer a new direction for achieving unusual and improved mechanical performance in materials. There is significant interest in the developments of the materials with negative compressibilities because of their important applications in multiple sciences and industries. Elucidation of the microscopic mechanisms for the negative compressibilities and searching for new functional materials with negative compressibilities are becoming a hotspot in materials physics fields. For long terms, borates have been extensively studied for their excellent optical performances, but the systematical researches on their mechanical properties are still lacking. Borates possess the diverse anisotropic microstructural features which are seen to be essential for the production of negative compressibilities. In this project, combined the high performance computational simulations with accurate experimental measurements, we plan to deeply explore the negative compressibilities in borate materials. Starting from the Sr2B2Be2O7 family and LiB3O5 family, the relationship between the microscopic structure and mechanical property in borate crystals will be investigated, and the intrinsic mechanisms for negative compressibilities will be elucidated, which would provide the efficient structural standards for the searching of new functional materials with negative compressiblities in borates. Based on the above studies, it is anticipated to build and improve the computer-assistant design system for the borates with negative compressibilities and the related mechanical constants databases. Meanwhile, several borates with negative compressibilities will be discovered.

负压缩性效应是现代材料力学科学中发现的一种重要新奇物理现象，在医学、电子工业、国防等重要领域具有巨大的应用前景，备受国际科技界瞩目。阐明负压缩性效应的微观机理，搜寻新型优质的负压缩性材料目前已经成为物理及材料学科中的重大前沿科学问题。一直以来，硼酸盐晶体被作为具有优异光学性能的光学材料被广泛研究和应用，但对其负压缩性效应的力学性质研究还处于空白。硼酸盐体系丰富的微观结构包含了负压缩性材料的典型微观结构特征，具备负压缩性效应潜质。在本研究项目中，我们将使用高性能计算机辅助分子工程学专家系统，从Sr2B2Be2O7族和LiB3O5族晶体出发，进行硼酸盐负压缩性效应的探索和研究，深入地认识和探讨其产生的机制以及与微观结构之间的内在联系，并进一步在硼酸盐晶体中搜寻其它具有不同于典型特征的负压缩性结构。在此基础上，发现几种负压缩率数值较大、结构稳定、具有实用前景的硼酸盐负压缩性功能材料。

负压缩材料的反常力学行为不仅突破了人们对材料压力响应特性的认识，而且在很多重要的科学工程领域具有不可替代的作用，是近十几年材料科学领域的前沿方向之一。迄今为止，所发现的负压缩材料仅有十几种，对其探索是一项极具挑战性的工作。这一难点在于，目前能够有效地指导该性质探索的理论模型还很有限，对负压缩材料的探索主要采用的是“大海捞针”的探索方式，需要消耗大量的人力物力。因此亟需进一步丰富负压缩机制模型。硼酸盐是一个结构丰富的材料体系，该材料体系丰富的结构多样性能够为负压缩材料探索提供巨大的筛选空间。在该材料体系中极有可能获得负压缩材料，而且其微观机制可能也会呈现出巨大的多样性。因此在该材料体系内进行负压缩材料的探索，不仅能够丰富这一材料体系，而且能够丰富这一罕见力学性质的机制模型。. 研究人员通过四年的努力，在本自然科学基金的支持下，获得了以下主要成果和关键数据：.（1）在KBBF晶体中发现了罕见的二维负压缩及负热膨胀性质，揭示了其反常力学及热膨胀性质的微观机制，同时基于其负压缩性质及深紫外波段良好的光学性质，提出了其在高灵敏度应变转换材料与声光器件中的潜在应用。.（2）在BiB3O6晶体中发现了巨大的线性负压缩性质，研究表明BiB3O6晶体中巨大线性负压缩性质源自于三价Bi3+离子上的孤对电子对填充在晶格内所导致的开放骨架结构。该工作为具有大负压缩性质材料的探索提供了思路。.（3）提出了通过在硼氧骨架中引入电负性强的阳离子来限制硼氧基团之间的扭转降低热膨胀的研究思路，发现了近零膨胀硼酸盐材料Zn4B6O13（ZBO）， 同时发现ZBO具有良好的生长习性，同时具有良好的光学、力学与热学综合性能，表明ZBO是一个应用于复杂环境下精密仪器中的光学材料。.（4）推算了非致密材料中零线性压缩性质发生的条件，提出了非致密结构材料中线性零压缩的“鲁班凳”模型。在此基础上探索得到了首个非致密结构的线性零压缩材料CaB2O4与SrB2O4。 同时发现其紫外截边高达170nm，表明这两个材料是潜在的应用于高压力涨落环境下的光学材料。.（5）研究了紫外非线性光学材料BaAlBO3F2（BABF）室温以下的热膨胀系数，发现了其低温热膨胀系数各向异性低于高温下的值，得出了BABF晶体热膨胀系数的各向异性源自于声子激发的各向异性，为降低光学材料热膨胀系数的各项异性提供了思路。